科技日?qǐng)?bào)記者?李麗云?通訊員?朱虹

“3、2、1！”

隨著口令下達(dá)，巨大的爆炸聲激起雪白浪花，水下大尺度高壓氣泡釋放出強(qiáng)大壓力波。

(相關(guān)資料圖)

——這是今年6月，在我國(guó)某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的一次成功試驗(yàn)。該試驗(yàn)以業(yè)內(nèi)稱(chēng)為“Zhang方程”的氣泡統(tǒng)一方程為指導(dǎo)，探明了氣泡高效傳遞能量機(jī)制，為大型船舶的防護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

氣泡統(tǒng)一方程由哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院教授張阿漫創(chuàng)立，今年3月正式發(fā)表于國(guó)際流體力學(xué)期刊《流體物理》。它以簡(jiǎn)潔優(yōu)美的數(shù)學(xué)方程，描述了自然界氣泡運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，破解了氣泡動(dòng)力學(xué)理論未解之謎。

“他得了個(gè)‘張半月’的稱(chēng)號(hào)”

氣泡廣泛存在于自然界，大大小小，看似尋常，卻蘊(yùn)含著巨大的奧秘和威力。大尺度氣泡能夠產(chǎn)生巨型海嘯，小尺度氣泡可以將藥物輸送到靶向器官。控制氣泡、利用氣泡，是百年來(lái)學(xué)者們的不懈追求。

早在1917年、1949年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者瑞利和科學(xué)家普勒賽特等人就建立了不可壓縮流場(chǎng)中單氣泡脈動(dòng)方程，但其僅預(yù)測(cè)了理想狀態(tài)下的氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1980年，美國(guó)科學(xué)院院士凱勒等科學(xué)家在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了可壓縮流場(chǎng)中單氣泡脈動(dòng)方程，因其更接近氣泡自然規(guī)律，被廣泛應(yīng)用。

氣泡運(yùn)動(dòng)受到千萬(wàn)種因素影響，如何精準(zhǔn)探尋氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律？

2005年，正在哈爾濱工程大學(xué)讀博的張阿漫研究水下大尺度氣泡動(dòng)力學(xué)行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)典氣泡方程的理論預(yù)測(cè)結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)之間仍存在較大偏差。為了找到其中原因，張阿漫一頭扎進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室。

“他常說(shuō)‘工作就是休息’，每天半夜1點(diǎn)睡，早上6點(diǎn)起。有時(shí)有了靈感，在實(shí)驗(yàn)室一住就是半個(gè)多月，因而得了個(gè)‘張半月’的稱(chēng)號(hào)。”哈爾濱工程大學(xué)教授郭君向科技日?qǐng)?bào)記者回憶道。

十幾年間，張阿漫不斷加深對(duì)氣泡的認(rèn)識(shí)，逐漸洞察了前人方程的局限性。他告訴記者：“氣泡在水中不僅會(huì)原地脈動(dòng)，還會(huì)受到邊界、多氣泡、重力、環(huán)境流場(chǎng)等物理因素的嚴(yán)重影響，發(fā)生可壓縮遷移運(yùn)動(dòng)。要想更精確探尋其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就要搞清楚氣泡在可壓縮性流場(chǎng)中的遷移效應(yīng)，這也是最大的難點(diǎn)。”

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和計(jì)算分析，張阿漫探明了復(fù)雜條件下氣泡系列運(yùn)動(dòng)的機(jī)理與規(guī)律，并且有了建立氣泡統(tǒng)一方程的初步構(gòu)想。

“既然找不到，就構(gòu)造一個(gè)！”

幾十年來(lái)，氣泡領(lǐng)域的科學(xué)家希望通過(guò)數(shù)學(xué)公式解釋氣泡運(yùn)動(dòng)的物理現(xiàn)象，將影響氣泡運(yùn)動(dòng)的所有復(fù)雜物理因素統(tǒng)一到一個(gè)方程中。他們一直在努力，但一直沒(méi)有突破性收獲。

2020年以前，張阿漫也是在其他方程基礎(chǔ)上不斷作修正，以期最接近氣泡的真實(shí)表達(dá)，但總是事與愿違。

張阿漫決定：開(kāi)辟新思路，開(kāi)創(chuàng)屬于自己的氣泡動(dòng)力學(xué)方程！

要在理論上同時(shí)考慮氣泡脈動(dòng)、遷移和流場(chǎng)可壓縮性，需要用到波動(dòng)方程移動(dòng)奇點(diǎn)的基本解，然而在已發(fā)表的文獻(xiàn)中找不到答案?！皼](méi)有基本解就相當(dāng)于蓋房沒(méi)磚，開(kāi)門(mén)沒(méi)鑰匙?！睆埌⒙髁艘粋€(gè)大膽的決定，“既然找不到，就構(gòu)造一個(gè)！”

張阿漫堅(jiān)信，雖然影響氣泡動(dòng)力學(xué)的因素不計(jì)其數(shù)，但氣泡統(tǒng)一方程一定是很簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)形式，這是揭示自然規(guī)律的高級(jí)表達(dá)。隨身攜帶筆記本的他，一有好想法就記下來(lái)，相關(guān)筆記超過(guò)15萬(wàn)字。

2020年，張阿漫與團(tuán)隊(duì)成員討論近邊界氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)，他突然有了原創(chuàng)性的想法：“移動(dòng)點(diǎn)源的基本解，是否可以用無(wú)窮多個(gè)固定點(diǎn)源的基本解疊加得到？”基于這個(gè)想法，他先后構(gòu)造了移動(dòng)點(diǎn)源和偶極子的基本解。

然而，當(dāng)他以為即將登頂時(shí)，一次核算發(fā)現(xiàn)，一個(gè)氣泡方程的遷移部分的可壓縮項(xiàng)多普勒效應(yīng)考慮出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致后面的推導(dǎo)需要全部推翻重來(lái)。

“星光不問(wèn)趕路人，時(shí)光不負(fù)有心人?！睆埌⒙](méi)有氣餒，他迅速調(diào)整好狀態(tài)。此后不久，他以更高效率和質(zhì)量推演出了一個(gè)簡(jiǎn)潔、優(yōu)美、對(duì)稱(chēng)的方程，仿佛就是“多少次在夢(mèng)中看到的氣泡統(tǒng)一方程”。

德國(guó)杜伊斯堡—埃森大學(xué)氣泡動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家Hemant Sagar（赫曼特·塞格爾）認(rèn)為，“氣泡統(tǒng)一方程是繼瑞利—普勒賽特方程（1917年、1949年）、凱勒方程（1980年）之后氣泡理論領(lǐng)域劃時(shí)代開(kāi)創(chuàng)性的工作”。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所王一偉研究員認(rèn)為，“這一方程可為深化氣泡機(jī)理研究提供重要的新思路和新理論”。

“在諸多領(lǐng)域具有重要理論和應(yīng)用價(jià)值”

“氣泡變幻莫測(cè)，常常四兩撥千斤，通過(guò)出人意料的巧勁，釋放巨大能量。”張阿漫說(shuō)。

氣泡統(tǒng)一方程不僅能在理論上更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)氣泡動(dòng)力學(xué)行為，還能作為指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)方程，預(yù)測(cè)新的物理現(xiàn)象和規(guī)律。

“這一方程擺脫了傳統(tǒng)方程的限制，是氣泡理論上的重大突破和里程碑式的工作，在船舶、海洋、機(jī)械、醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域均具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值?！睒I(yè)內(nèi)權(quán)威專(zhuān)家、武漢大學(xué)季斌教授如是說(shuō)。

高壓氣槍陣列對(duì)于深遠(yuǎn)?？碧絹?lái)說(shuō)，好比獵人手中的獵槍。長(zhǎng)期以來(lái)，高壓氣槍一直依賴(lài)進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，核心技術(shù)也受到封鎖。

在近期進(jìn)行的深?？碧皆囼?yàn)中，由我國(guó)自主研發(fā)的高壓氣槍在物探船的牽引下，呈現(xiàn)出經(jīng)過(guò)氣泡統(tǒng)一方程精準(zhǔn)計(jì)算過(guò)的陣列。高壓氣槍陣列向海底精準(zhǔn)發(fā)出壓力波，通過(guò)對(duì)回彈反射波的分析，實(shí)驗(yàn)人員可以測(cè)出海底是否有可燃冰、石油等珍貴海洋資源。

在張阿漫看來(lái)，高壓氣槍陣列的核心原理本質(zhì)上就是氣泡群的脈動(dòng)和遷移。有了氣泡統(tǒng)一方程，我國(guó)不僅可以自主研發(fā)多方面性能優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品的高壓氣槍?zhuān)瓉?lái)技術(shù)人員很難獲得的最理想氣槍陣列，也可通過(guò)反演算法精準(zhǔn)計(jì)算獲得。

目前，哈爾濱工程大學(xué)正在設(shè)計(jì)研發(fā)用于超深?？碧降男滦偷皖l大容量高壓氣槍陣列?！暗皖l氣槍意味著可以獲得高精度的反射波信號(hào)，探測(cè)得更深更遠(yuǎn)?！睆埌⒙榻B。

黨的二十大報(bào)告對(duì)加快實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略作出重要部署，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，突出原創(chuàng)。

“基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的總開(kāi)關(guān)?！闭雇磥?lái)，張阿漫堅(jiān)定地說(shuō)，“我將進(jìn)一步著力培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，著力開(kāi)展原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究和瓶頸問(wèn)題攻關(guān)，為實(shí)現(xiàn)‘海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)’努力奮斗！”

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